软件设计基本概念

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章 软件设计基本概念,2.1,设计过程,2.2,设计原理,2.3,启发规则,软件设计宣言：,Mitch Kapor,“,什么是设计？设计是你站在两个世界,技术世界和人类的目标世界,而你尝试将这两个世界结合在一起,”,。,罗马建筑批评家,Vitruvius,提出的观念：,“设计良好的建筑应该展示出坚固、适用和令人赏心悦目”。,设计阶段：,从工程管理的角度，可以将软件设计分为概要设计阶段和详细设计阶段。,从技术的角度，传统的结构化方法将软件设计划分为体系结构设计、数据设计、接口设计和过程设计,4,部分。,面向对象方法则将软件设计划分为体系结构设计、类设计,/,数据设计、接口设计和构件级设计,4,部分。,结构化设计和结构化分析的关系：,总体设计过程：,首先寻找实现目标系统的各种不同的方案；然后分析员从这些供选择的方案中选取若干个合理的方案，从中选出一个最佳方案向用户和使用部门负责人推荐；分析员应该进一步为这个最佳方案设计软件结构，进行必要的数据库设计，确定测试要求并且制定测试计划。,必要性：,总体设计可以站在全局高度上，花较少成本，从较抽象的层次上分析对比多种可能的系统实现方案和软件结构，从中选出最佳方案和最合理的软件结构，从而用较低成本开发出较高质量的软件系统。,5.1,设计过程,由两个主要阶段组成：,系统设计阶段，确定系统的具体实现方案,设想供选择的方案,选取合理的方案,推荐最佳方案,结构设计阶段，确定软件结构,功能分解,设计软件结构,设计数据库,制定测试计划,书写文档,审查和复审,典型的总体设计过程包括下述,9,个步骤：,1.,设想供选择的方案,根据需求分析阶段得出的数据流图考虑各种可能的实现方案，力求从中选出最佳方案。,2.,选取合理的方案,从前一步得到的一系列供选择的方案中选取若干个合理的方案。对每个合理的方案分析员都应该准备下列,4,份资料：,系统流程图；,组成系统的物理元素清单；,成本,/,效益分析；,实现这个系统的进度计划。,3.,推荐最佳方案,分析员应该综合分析对比各种合理方案的利弊，推荐一个最佳的方案，并且为推荐的方案制定详细的实现计划。,4.,功能分解,首先进行结构设计，然后进行过程设计。,结构设计确定程序由哪些模块组成，以及这些模块之间的关系；过程设计确定每个模块的处理过程。,结构设计是总体设计阶段的任务，过程设计是详细设计阶段的任务。,5.,设计软件结构,通常程序中的一个模块完成一个适当的子功能。应该把模块组织成良好的层次系统。软件结构可以用层次图或结构图来描绘。,如果数据流图已经细化到适当的层次，则可以直接从数据流图映射出软件结构，这就是面向数据流的设计方法。,6.,设计数据库,对于需要使用数据库的那些应用系统，软件工程师应该在需求分析阶段所确定的系统数据需求的基础上，进一步设计数据库。,7.,制定测试计划,在软件开发的早期阶段考虑测试问题，能促使软件设计人员在设计时注意提高软件的可测试性。,8.,书写文档,应该用正式的文档记录总体设计的结果，在这个阶段应该完成的文档通常有下述几种：,(1),系统说明；,(2),用户手册；,(3),测试计划；,(4),详细的实现计划；,(5),数据库设计结果。,9.,审查和复审,最后应该对总体设计的结果进行严格的技术审查和管理复审。,5.2,设计原理,5.2.1,模块化,模块：,是由边界元素限定的相邻程序元素的序列，而且有一个总体标识符代表它。,模块化：,就是把程序划分成独立命名且可独立访问的模块，每个模块完成一个子功能，把这些模块集成起来构成一个整体，可以完成指定的功能满足用户的需求。,为什么要模块化？,模块化是为了使一个复杂的大型程序能被人的智力所管理，软件应该具备的惟一属性。,如果一个大型程序仅由一个模块组成，它将很难被人所理解。,模块化的根据：,如果,C(,P,1)C(,P,2),，显然,E(P1)E(P2),根据人类解决一般问题的经验，,C(,P,1+,P,2)C(,P,1)+C(,P,2),综上所述，得到下面的不等式,E(,P,1+,P,2)E(,P,1)+E(,P,2),每个程序都相应地有一个最适当的模块数目,M,，使得系统的开发成本最小。,模块化和软件成本,模块化的作用：,采用模块化原理可以使软件结构清晰，不仅容易设计也容易阅读和理解。,模块化使软件容易测试和调试，因而有助于提高软件的可靠性。,模块化能够提高软件的可修改性。,模块化也有助于软件开发工程的组织管理。,5.2.2,抽象,抽象：,现实世界中一定事物、状态或过程之间总存在着某些相似的方面,(,共性,),。把这些相似的方面集中和概括起来，暂时忽略它们之间的差异，这就是抽象。,抽象就是抽出事物本质特性而暂时不考虑细节。,“抽象是人类处理复杂问题的基本方法之一。”,Grady Boach,一般抽象过程：,处理复杂系统的惟一有效的方法是用层次的方式构造和分析它。,一个复杂的动态系统首先可以用一些高级的抽象概念构造和理解，这些高级概念又可以用一些较低级的概念构造和理解，如此进行下去，直至最低层次的具体元素。,例：过程抽象、数据抽象,开,(,行为抽象）,+,门,(,数据抽象,),19,形体,衣着,性格,抽象,抽象例子,外表,软件工程抽象过程：,软件工程过程的每一步都是对软件解法的抽象层次的一次精化。,在可行性研究阶段，软件作为系统的一个完整部件；,在需求分析期间，软件解法是使用在问题环境内熟悉的方式描述的；,当由总体设计向详细设计过渡时，抽象的程度也就随之减少了；,最后，当源程序写出来以后，也就达到了抽象的最低层。,5.2.3,逐步求精,逐步求精：,为了能集中精力解决主要问题而尽量推迟对问题细节的考虑。逐步求精是人类解决复杂问题时采用的基本方法，也是许多软件工程技术的基础。,Miller,法则：一个人在任何时候都只能把注意力集中在（,72,）个知识块上。,22,逐步求精,外表,形体,衣着,性格,头发,脸形,领带,抽象,逐步求精的例子,例：,用筛选法求,100,以内的素数。所谓的筛选法，就是从,2,到,100,中去掉,2,，,3,，,5,，,7,的倍数，剩下的就是,100,以内的素数。,首先按程序功能写出一个框架,main(),建立,2,到,100,的数组,A ,，其中,Ai,i,；,.1,建立,2,到,10,的素数表,B ,，存放,2,到,10,以内的素数；,.2,若,Ai,i,是,B ,中任一数的倍数，则剔除,Ai,；,.3,输出,A ,中所有没有被剔除的数；,.4,上述框架中每一个加工语句都可进一步细化,main() ,/*,建立,2,到,100,的数组,A ,，其中,Ai,i*/ .1,for,（,i = 2,；,i = 100,；,i+,）,Ai = i,；,/*,建立,2,到,10,的素数表,B ,，存放,2,到,10,以内的素数*,/ .2,B1 =2,；,B2 = 3,；,B3 = 5,；,B4 = 7,；,/*,若,Ai,i,是,B ,中任一数的倍数，则剔除,Ai*/ .3,for,（,j = 1,；,j = 4,；,j+,）,检查,A,所有数能否被,Bj,整除并将其从,A,剔除；,.3.1,/*,输出,A ,中所有没有被剔除的数*,/ .4,for,（,i = 2,；,i 25),module_3();,else,module_4();,评价：,与结构化编程矛盾，生成的代码完全不可读。,如果在一个模块中对一个全局变量的声明进行修改，必须修改能够访问该全局变量的每一个模块。,公共环境耦合的模块难于重用，必须提供一个全局变量的清单。,即使模块本身不改变，它和产品中其他模块之间公共环境耦合的实例数也会变化非常大。,潜在危险很大。模块暴露出必需要更多的数据，难以控制数据存取，而且会导致计算机犯罪。,有些情况下公共环境耦合更好。,函数可重入的概念,可重入函数也可以这样理解，重入即表示重复进入，首先它意味着这个函数可以被中断，其次意味着它除了使用自己栈上的,变量,以外不依赖于任何环境（包括,static,），这样的函数就是,purecode,（,纯代码,）可重入，可以允许有该函数的多个副本在运行，由于它们使用的是分离的栈，所以不会互相干扰。如果确实需要访问,全局变量,（包括,static,），一定要注意实施互斥手段。可重入函数在并行运行环境中非常重要，但是一般要为访问全局变量付出一些性能代价,(6),内容耦合,(content coupling),最高程度的耦合是内容耦合。如果出现下列情况之一，两个模块间就发生了内容耦合：,一个模块访问另一个模块的内部数据；,一个模块不通过正常入口转到另一个模块的内部；,两个模块有一部分程序代码重叠；,一个模块有多个入口。,耦合是影响软件复杂程度的一个重要因素。,应该采取下述设计原则：,尽量使用数据耦合，,少用控制耦合和特征耦合，,限制公共环境耦合的范围， 完全不用内容耦合。,2.,内聚,内聚：,标志一个模块内各个元素彼此结合的紧密程度，它是信息隐藏和局部化概念的自然扩展。简单地说，理想内聚的模块只做一件事情。,要求：,设计时应该力求做到高内聚，通常中等程度的内聚也是可以采用的，而且效果和高内聚相差不多；但是，低内聚不要使用。,内聚和耦合是密切相关的，模块内的高内聚往往意味着模块间的松耦合。实践表明内聚更重要，应该把更多注意力集中到提高模块的内聚程度上。,内聚程度的度量：,(1),偶然内聚,(coincidental cohesion),如果一个模块完成一组任务，这些任务彼此间即使有关系，关系也是很松散的，就叫做偶然内聚。,M,A=B+C,GET CHER,IF R=5 THEN S=1,评价：,模块内各元素之间没有实质性联系，很可能在一种应用场合需要修改这个模块，在另一种应用场合又不允许这种修改，从而陷入困境；,可理解性差，可维护性产生退化；,模块是不可重用的。,解决方案：,将模块分成更小的模块，每个小模块执行一个操作。,(2),逻辑内聚,(logical cohesion),如果一个模块完成的任务在逻辑上属于相同或相似的一类，则称为逻辑内聚。,评价：,接口难以理解，造成整体上不易理解；,完成多个操作的代码互相纠缠在一起，即使局部功能的修改有时也会影响全局，导致严重的维护问题；,难以重用。,解决方案：,模块分解。,(3),时间内聚,(temporal cohesion),如果一个模块包含的任务必须在同一段时间内执行，就叫时间内聚。,执行初始化,打开旧主文件、新主文件、事务文件和打印文件；,初始化销售地区表；,读第一条事务记录和第一条旧主文件记录；,评价：,时间关系在一定程度上反映了程序某些实质，所以时间内聚比逻辑内聚好一些。,模块内操作之间的关系很弱，与其他模块的操作却有很强的关联。,时间内聚的模块不太可能重用。,(4),过程内聚,(procedural cohesion),如果一个模块内的处理元素是相关的，而且必须以特定次序执行，则称为过程内聚。,使用程序流程图作为工具设计软件时，常常通过研究流程图确定模块的划分，这样得到的往往是过程内聚的模块。,评价：,比时间内聚好，至少操作之间是过程关联的。,仍是弱连接，不太可能重用模块。,解决方案：,分割为单独的模块，每个模块执行一个操作。,(5),通信内聚,(communicational cohesion),如果模块中所有元素都使用同一个输入数据和,(,或,),产生同一个输出数据，则称为通信内聚。即在同一个数据结构上操作。,评价：,模块中各操作紧密相连，比过程内聚更好。,不能重用。,解决方案：,分成多个模块，每个模块执行一个操作。,(6),顺序内聚,(sequential cohesion),如果一个模块内的处理元素和同一个功能密切相关，而且这些处理必须顺序执行，则称为顺序内聚。,评价：,根据数据流图划分模块时，通常得到顺序内聚的模块，这种模块彼此间的连接往往比较简单。,(7),功能内聚,(functional cohesion),如果模块内所有处理元素属于一个整体，完成一个单一的功能，则称为功能内聚。功能内聚是最高程度的内聚。,评价：,模块可重用，应尽可能重用；,可隔离错误，维护更容易；,扩充产品功能时更容易。,七种内聚的优劣评分结果：,高内聚：功能内聚,10,分,顺序内聚,9,分,中内聚：通信内聚,7,分,过程内聚,5,分,低内聚：时间内聚,3,分,逻辑内聚,1,分,偶然内聚,0,分,设计时力争做到高内聚，并且能够辨认出低内聚的模块。,5.3,启发规则,1.,改进软件结构提高模块独立性,通过模块分解或合并，降低耦合提高内聚。,两个方面：,模块功能完善化。一个完整的模块包含：,执行规定的功能的部分,出错处理的部分,返回一个“结束标志”,消除重复功能，改善软件结构。,完全相似,局部相似,2.,模块规模应该适中,经验表明，一个模块的规模不应过大，最好能写在一页纸内。通常规定,50100,行语句，最多不超过,500,行。数字只能作为参考，根本问题是要保证模块的独立性。,过大的模块往往是由于分解不充分，但是进一步分解必须符合问题结构，一般说来，分解后不应该降低模块独立性。,过小的模块开销大于有效操作，而且模块数目过多将使系统接口复杂。,3.,深度、宽度、扇出和扇入都应适当,深度：,软件结构中控制的层数，它往往能粗略地标志一个系统的大小和复杂程度。,宽度：,软件结构内同一个层次上的模块总数的最大值。,扇出：,一个模块直接控制,(,调用,),的模块数目。,扇入：,有多少个上级模块直接调用它。,4.,模块的作用域应该在控制域之内,模块的作用域：,定义为受该模块内一个判定影响的所有模块的集合。,模块的控制域：,是这个模块本身以及所有直接或间接从属于它的模块的集合。,在一个设计得很好的系统中，所有受判定影响的模块应该都从属于做出判定的那个模块，最好局限于做出判定的那个模块本身及它的直属下级模块。,解决方案：,把模块,A,中的判定移到模块,M,中；,把模块,G,移到模块,A,下面，作为他的下级模块。,5.,力争降低模块接口的复杂程度,模块接口复杂是软件发生错误的一个主要原因。应该仔细设计模块接口，使得信息传递简单并且和模块的功能一致。,例：解一元二次方程的函数,QUAD_ROOT(TBL,X),其中数组,TBL,传送方程的系数,数组,X,送回求得的根,QUAD_ROOT(A,B,C,ROOT1,ROOT2),6.,设计单入口单出口的模块,警告软件工程师不要使模块间出现内容耦合。当从顶部进入模块并且从底部退出来时，软件是比较容易理解的，因此也是比较容易维护的。,7.,模块功能应该可以预测,模块的功能应该能够预测，但也要防止模块功能过分局限。,功能可预测：,如果一个模块可以当做一个黑盒子，只要输入的数据相同就产生同样的输出，这个模块的功能就是可以预测的。,